Medidas topográficas con distanciometría electrónica. Influencia atmosférica II

Publicamos la segunda entrega de este artículo, que  tiene como objetivo el estudio del alcance de diferentes estaciones totales utilizadas para la medición topográfica de distancias (EDM), utilizadas en Topografía, Cartografía y Geomática. El esta segunda parte mostramos la experimentación realizada, los resultados obtenidos y las conclusiones.

Este artículo fue publicado en Marzo de 2005 en la revista científica «Journal of Surveying Engineering», de la American Society of Civil Engineers

3. Metodología

El alcance o distancia máxima de medición de un sistema topográfico EDM depende fundamentalmente de la potencia de emisión del EDM, la sensibilidad del detector del EDM, del reflector utilizado y del medio de transmisión de la radiación electromagnética. El reflector utilizado ha sido un prisma de reflexión total y debido a que no se estudia su influencia, se ha utilizado siempre el mismo a lo largo de todas las pruebas experimentales realizadas, por lo que se considerará constante. La potencia de emisión y la sensibilidad del detector del EDM también es constante para cada instrumento. Por tanto, la única variable que afecta al alcance para cada EDM es el medio de transmisión.

En primer lugar se llevarán a cabo en el laboratorio de la Agencia Espacial Europea en Valencia medidas de precisión de las longitudes de onda de emisión del instrumental topográfico analizado, instrumental con diferentes alcances y precisiones nominales. Se han utilizado las estaciones totales indicadas en la introducción.
En el siguiente paso se realizará la medida de las longitudes de onda de los instrumentos topográficos considerados.
Por último, se realizará una serie de mediciones topográficas bajo diferentes condiciones atmosféricas con el objetivo de obtener el alcance máximo de los diferentes EDM estudiados.

3.1. Medidas topográficas de espectroscopía

A fin de evaluar la longitud de onda del instrumental topográfico, se llevó a cabo un estudio del láser instalado en cada instrumento EDM en el laboratorio ESA-VSC, de Burjassot – Valencia.

3.1.1. Procedimiento

La espectroscopia óptica es una técnica no destructiva que mide la intensidad de la radiación como una función de la longitud de onda. La luz del láser del instrumento topográfico EDM se focaliza mediante una lente para longitudes de onda visibles, como se puede observar en la Figura 1. En el enfoque de la lente se colocó una fibra óptica con el fin de conducir la luz recogida en el espectrómetro (modelo 78255 Newport , resolución de 0,5 nm, detector 1024 elemento de silicio gama NMOS fotodiodo, con una distancia focal de 54 mm.). Las rejillas del espectrómetro separan las diferentes longitudes de onda de la luz incidente y su intensidades se registran en el conjunto de fotodiodos para ser finalmente mostradas en el ordenador como un espectro. Como segundo paso del análisis óptico, la emisión se mide por medio de un medidor de potencia (Newport modelo 1916-R), fijado en el pico de energía de la emisión.

Figura 1. Medidas de espectrometría optica de las emisiones láser de los instrumentos topográficos analizados

3.1.2. Resultados

Una vez obtenido el espectro, éste se calibra con la línea espectral del mercurio a 365 nm de una lámpara de Hg-Xe. Como ejemplo representativo del análisis, el espectro obtenido a partir de la emisión del instrumento topográfico EDM Topcon GPT-7500 se muestra en la Figura 2. La emisión se ha analizado utilizando funciones gaussianas y la ecuación y parámetros del ajuste se muestra en la Tabla 2. La emisión con mayor intensidad es la más probable para el instrumento topográfico analizado, con un pico de emisión a 686,2 nm, con un error de la anchura total a la mitad del máximo (FWHM), 2,7 nm

Figura 2. Espectro óptico del láser usado por el la estación total topográfica Topcon GPT-7500.

En la Figura 3 se muestra el espectro óptico normalizado para los instrumentos topográficos EDM estudiados. Dos de ellos, Trimble y Leica, tienen su emisión cerca de los 660 nm mientras que el resto, Topcon y Sokkia, tienen su emisión óptica por encima de los 680 nm.

Figura 3. Espectro óptico normalizado para los instrumentos topográficos EDM estudiados.

3.2. Mediciones topográficas de distancia.

Se realizaron tres pruebas experimentales en abril de 2013, en tres ubicaciones diferentes del este de España, separadas no más de 90 km, pero con un desnivel de 2000 metros entre ellas:
Playa de la Malvarrosa de Valencia, situada a nivel del mar. La alineación de 6 km sobre la que se realizaron las mediciones se muestra en la figura 4

Figura 4. Situación de la playa de la Malvarrosa (Valencia)

Albentosa (Provincia de Teruel, comunidad autónoma de Aragón), situada a 1000 metros de altitud. La alineación de 6 km sobre la que se realizaron las mediciones se muestra en la figura 5

Figura 5. Situación de Albentosa, Teruel (Spain)

Pico de Javalambre (Provincia de Teruel, comunidad autónoma de Aragón), situada a 2019 metros de altitud. La alineación de 6 km sobre la que se realizaron las mediciones se muestra en la figura 6

Figura 6. Situación del Pico de Javalambre, Teruel (Spain)

Estudio de la absorción y dispersión molecular

Para el estudio de este fenómeno se realizaron observaciones en tres días diferentes, en las tres zonas elegidas, cuidando que existiera turbulencia atmosférica. Eligiendo para ello días despejados con viento ligero de poniente, que para esta zona garantiza las mayores visibilidades, humedad relativa en torno al 20% y bajos niveles de aerosoles en la atmósfera. Las observaciones se realizaron a intervalos de 2 horas desde las 7:00 h hasta las 21:00 h
El diseño de la experimentación pretende determinar y cuantificar en qué medida afecta la disminución en la concentración molecular atmosférica (que se produce al aumentar la altitud), y la temperatura, en el alcance de los EDM estudiados.

Estudio de la absorción y dispersión por aerosoles

Para el estudio de este fenómeno se realizaron dos series de observaciones en dos días diferentes, en la Playa de la Malvarrosa de Valencia. Las observaciones se llevaron a cabo a intervalos de 2 horas desde las 7:00 h hasta las 21:00 h
En el primer día, las condiciones meteorológicas, constantes a lo largo del periodo de observación, fueron las siguientes: viento del noreste (procedencia marítima) de 15 km/h y humedad relativa del 91%. En estas condiciones, la cantidad de aerosoles fue muy elevada, especialmente espuma de mar y arena. El la figura 7 se observa el lugar elegido para realizar las observaciones.

Figura 7. Lugar de observación situado al sur de la Playa de la Malvarrosa – Valencia (Spain)

Para el segundo día, los parámetros meteorológicos fueron constantes a lo largo de la observación, pero radicalmente opuestos al primer día, con viento del oeste (procedencia continental) de 20 km/h y humedad relativa del 15%. En estas condiciones, la cantidad de aerosoles es muy baja, y la visibilidad muy elevada
El diseño de la experimentación pretende determinar y cuantificar en qué medida afecta la abundancia de aerosoles, en el alcance de los EDM estudiados usados en Topografía.

Estudio del centelleo atmosférico

Para el estudio de este fenómeno se realizaron dos series de observaciones topográficas en dos días diferentes, en Albentosa, a 1000 metros de altitud.
Para el primer día se eligieron unas condiciones meteorológicas que no favorecieran la turbulencia atmosférica: vientos de 15 km/h de poniente durante todo el día y temperaturas en torno a los 10o C de máxima. El la figura 8 se observa el lugar elegido para realizar las observaciones.

Figura 8. Lugar de observación situado en Albentosa – Teruel (Spain)

Para el segundo día se buscó un día más caluroso (temperatura máxima en torno a los 25º) y sin viento, condiciones propicias para la generación de turbulencia atmosférica.
El diseño de las mediciones topográficas así planteado pretende determinar y cuantificar en qué medida afecta la turbulencia atmosférica, en el alcance de los EDM estudiados.

4. Resultados

En primer lugar, los resultados del estudio de las longitudes de onda medidas,realizados en el laboratorio, junto a los valores ofrecidos por los fabricantes, se muestran en la tabla 1 y la figura 9.

Tabla 1. Longitudes de onda medidas en laboratorio

Figura 9. Comparación entre las medidas de laboratorio de la ESA-VSC y los valores del fabricante

En cuanto a los resultados de las observaciones realizadas, las figuras 10, 11, 12 y 13 muestran los alcances medidos para el estudio de la absorción y dispersión molecular a lo largo de un día y para diferentes altitudes.

Figura 10. Alcance de los EDM analizados a nivel de mar (Valencia)

Figura 11. Alcance de los EDM analizados a 1000 metros de altitud (Albentosa)

Figura 12. Alcance de los EDM analizados a 2000 metros de altitud (Javalambre)

Figura 13. Variación del alcance con la altitud para cada uno de los EDM analizados

Las figuras 14, 15, 16 y 17 muestran los alcances medidos para el estudio de la absorción y dispersión por aerosoles a lo largo de un día y para diferentes altitudes.

Figura 14. Variación del alcance para los dos días estudiados del EDM Trimble S6

Figura 15. Variación del alcance para los dos días estudiados del EDM Sokkia NET1

Figura 16. Variación del alcance para los dos días estudiados del EDM Topcon GPT7500

Figura 17. Variación del alcance para los dos días estudiados del EDM Leica TS02

La figura 18 muestra los alcances medidos para el estudio del centelleo atmosférico a lo largo de un día y para cada uno de los EDM utilizados.

Figura 18. Variación del alcance a lo largo de un día para los diferentes instrumentos topográficos analizados

5. Conclusiones

– Los valores de longitud de onda que ofrecen los distintos fabricantes se ajustan casi exactamente a los valores medidos en el laboratorio, con diferencias no superiores al 1%

– Del estudio de la absorción y dispersión molecular destacan dos aspectos:
Por un lado, vemos claramente en las gráficas que existe una gran dependencia de la altitud en el alcance logrado para cada uno de los EDM estudiados. Concretamente, para el EDM de Leica TS02, que es el que más variación presenta con la altura, a 2000 metros de altitud, el alcance aumenta un 41,5 %. Este hecho responde a la disminución con la altitud de la concentración molecular, sobre todo de vapor de agua, dióxido de carbono y oxígeno.
Por otro lado, vemos en las gráficas como se produce, en todos los casos estudiados, una disminución en el alcance en la distancia medida en las horas centrales del día en torno a un 3% de media. Estos valores son mayores a nivel del mar (6%) y casi inapreciables a 2000 metros de altitud (0,5 %). Este fenómeno respondería al aumento de las líneas de absorción espectral por el efecto Doppler, cuando las moléculas se desplazan con respecto a la onda incidente, y por las colisiones provocadas por la interacción entre las moléculas. Este fenómeno alcanza su máximo con la temperatura máxima, en las horas centrales del día. Por otro lado, el hecho de que disminuya este fenómeno con la altitud se debe a las disminuciones en las concentraciones moleculares y presión atmosférica a medida que aumenta la altitud.

– La absorción y dispersión por aerosoles se pone de manifiesto en las dos series de observaciones realizadas, provocando de media una reducción en el alcance de los EDM estudiados de un 12%, en condiciones de gran abundancia de partículas de arena, espuma de mar y elevada humedad. Es de destacar que la disminución en el alcance no es igual para todos los equipos analizados. Mientras que para el EDM de Topcon GPT7500 la reducción en el alcance es de un 9%, para el EDM de Leica TS02 la reducción es de un 16 %

– A modo de resumen de todo lo anterior, el estudio pone de manifiesto que en ciertos proyectos donde el alcance en las mediciones topográficas de distancias es una condición esencial, es aconsejable llevar a cabo un estudio para evaluar el alcance del instrumento topográfico utilizado. Como se ha demostrado, las condiciones atmosféricas son un elemento clave y en muchas ocasiones los valores de alcance ofrecidos por los fabricantes no se ajustan exactamente a la realidad. En definitiva, un estudio de este tipo, antes de la ejecución de un proyecto topográfico, puede ahorrar tiempo, dinero y sorpresas negativas.

6. Agradecimientos

Agradecemos al laboratorio de la ESA-VSC (Agencia Espacial Europea – Consorcio Espacial Valencia) su colaboración, así como al Departamento de Ingenería Cartografía, Geodésica y Fotogrametría de la Universitat Politècnica de València y a la empresa GeoConcept que prestaron su instrumental topográfico para el estudio.